Ce ne sont que des structures très simples, mais sans elles nous ne pourrions pas survivre : d’innombrables petits poils (cils) se trouvent sur la paroi externe de certaines cellules, par exemple dans nos poumons ou dans notre cerveau. Lorsque ces poils de la taille d’un micromètre coordonnent leur mouvement et produisent ensemble des mouvements ondulatoires, ils peuvent provoquer des courants à l’échelle micrométrique et ainsi pomper du liquide d’un endroit à un autre. Les paramécies – organismes unicellulaires avec de nombreux cils – utilisent également ces effets pour se déplacer.
Comment se produit la synchronisation de ces micro-cheveux et quels sont ses effets sont des questions qui n’ont jusqu’à présent été étudiées que dans de grandes simulations informatiques. Cependant, plus de quelques milliers de cheveux ne peuvent pas être simulés de cette manière. Sebastian Fürthauer de TU Wien a maintenant adopté une approche complètement différente : en collaboration avec des équipes de recherche américaines, il a développé une théorie du continuum des micro-cheveux. Cela permet d’enquêter sur des questions qui étaient auparavant complètement hors de portée. La théorie vient d’être publiée dans la revue PNAS.
Micro-monde et macro-monde
« La connexion compliquée entre le micro-monde et le macro-monde joue un rôle important dans de nombreux domaines de la physique », explique Sebastian Fürthauer. Chaque flux d’air, chaque flux dans un liquide peut être compris comme le mouvement de petites particules – d’atomes et de molécules. Il est possible d’étudier les forces qui agissent entre les particules individuelles, comment elles entrent en collision et se déplacent ensemble.
Mais il est également possible d’ignorer complètement cette vision au niveau des particules individuelles et de regarder les choses différemment, en utilisant des concepts tels que la pression, la densité et la vitesse moyenne d’écoulement. « En mécanique des fluides, c’est exactement ce que vous faites », déclare Sebastian Fürthauer. « Vous ne vous souciez pas du fait que chaque flux se compose de particules individuelles, vous recherchez plutôt des équations mathématiques qui utilisent des termes tels que la pression ou la densité pour décrire l’ensemble du flux de manière continue. »
Ondes collectives au lieu de poils individuels
Fürthauer, qui a travaillé au Flatiron Institute de New York avant de rejoindre la TU Wien en février 2022, applique maintenant précisément cette approche à la physique des cellules et de leurs micro-cheveux : ici aussi, vous pouvez regarder chaque cheveu individuellement, modéliser leur mathématiquement l’interaction, puis analyser avec d’énormes dépenses de calcul et d’énergie sur les superordinateurs les mouvements collectifs et les flux de fluides qui en résultent. Cependant, on peut aussi choisir une approche continue – proche de la mécanique des fluides – et décrire mathématiquement la totalité des cheveux.
De cette façon, vous pouvez trouver des équations qui expliquent non pas les cheveux individuels, mais les mouvements ondulatoires de nombreux cheveux. « Vous pouvez voir ici des effets très excitants », déclare Sebastian Fürthauer. « Par exemple, vous pouvez considérer ce qui se passe lorsque les poils bougent simplement au hasard. Et vous vous rendez compte que cet état est instable. Le mouvement purement aléatoire des poils ne peut pas rester permanent car les poils s’influencent inévitablement. Cela conduit à une synchronisation, une formation d’ondes collectives, toute seule. »
Mais même le contraire d’un mouvement purement aléatoire – à savoir l’unisson parfait – s’avère instable : selon les équations du continuum de Fürthauer, l’interaction entre les cheveux et le fluide environnant conduit à des modèles de mouvement très spécifiques qui permettent finalement le transport du fluide, exactement comme on peut réellement l’observer. dans l’expérience.
Seule l’asymétrie permet le mouvement
Ce processus est tout sauf trivial : à l’échelle microscopique, les fluides se comportent tout à fait différemment de ce à quoi nous sommes habitués. Lorsque vous nagez dans l’eau, vous pouvez déplacer vos bras et vos jambes d’avant en arrière de manière à ce que le mouvement de nage global soit vers l’avant. À une micro-échelle, cependant, c’est différent – pour un micro-poil, le liquide se comporte beaucoup plus visqueusement, comme du miel épais. Lorsqu’un cheveu se déplace en cercle, il peut pousser le fluide d’avant en arrière, mais cette action est symétrique – la force qui s’exerce d’abord dans un sens s’exerce ensuite également dans l’autre sens, l’essentiel est que tout est pareil à la fin comme elle était au début, et rien n’a bougé.
« Ce n’est que lorsque cette symétrie est brisée qu’un mouvement macroscopique, tel que le pompage d’un fluide dans une direction, peut avoir lieu », explique Sebastian Fürthauer. « Et c’est précisément cette rupture de symétrie qui se produit lorsque les poils coordonnent leur mouvement et forment des vagues. »
Cellules et gros porteurs
« Si vous analysez complètement les structures sur ordinateur, vous pourrez peut-être simuler quelques milliers de cheveux – pour un système biologique, c’est encore assez peu », explique Sebastian Fürthauer. « Avec notre méthode du continuum, le nombre de cheveux n’a pas d’importance ; nous les décrivons collectivement, qu’il y en ait dix mille ou un million. »
Sebastian Fürthauer est convaincu que la nouvelle théorie peut être utilisée pour étudier des phénomènes qui ne pouvaient pas être étudiés auparavant au niveau des cheveux individuels : « Si vous voulez calculer le comportement de vol d’un gros porteur sur un ordinateur, personne ne penserait à simuler chaque molécule d’air individuellement. Vous utilisez des équations continues pour décrire le flux d’air. C’est exactement ce que nous faisons maintenant avec les cellules et les tissus.
Plus d’information:
Anup V. Kanale et al, Coordination de phase spontanée et pompage de fluide dans des tapis ciliaires modèles, Actes de l’Académie nationale des sciences (2022). DOI : 10.1073/pnas.2214413119